Communiqué de presse

La vue la plus détaillée à ce jour de l'Univers lointain

L'observation d'un anneau d'Einstein par ALMA révèle d'incroyables détails

8 juin 2015

Une campagne d'observations effectuée par le réseau ALMA en configuration étendue a permis d'obtenir une image spectaculaire et détaillée à la fois d'une galaxie lointaine subissant un effet de lentille gravitationnelle. Sur cette image figure une vue amplifiée des régions de formation d'étoiles au sein de la galaxie distante. Le degré de résolution qui caractérise ces nouvelles observations est inédit. Il surpasse nettement le niveau de détail qu'offre le Télescope Spatial Hubble du consortium NASA / ESA, et révèle l'existence, au sein même de cette galaxie, de régions de formation d'étoiles semblables à la Nébuleuse d'Orion, quoique de dimensions nettement supérieures.

La campagne d'observations d'ALMA en configuration étendue a donné lieu à quelques résultats surprenants, et permis de recueillir des informations d'une précision inégalée concernant les “habitants” de l'Univers proche et distant. Des observations effectuées fin 2014 dans le cadre de cette campagne visaient une lointaine galaxie notée HATLAS J090311.6+003906, par ailleurs connue sous l'appellation SDP.81. La lumière en provenance de cette galaxie subit les effets d'un phénomène de lentille gravitationnelle. Une galaxie massive située entre SDP.81 et ALMA [1] agit telle une lentille en effet, déformant la lumière émise par la galaxie plus lointaine et générant un anneau d'Einstein quasi-parfait [2].

Plus de sept équipes de scientifiques [3] ont analysé, indépendamment les unes des autres, les données d'ALMA relatives à SDP.81. Cette flopée de publications scientifiques a révélé certaines caractéristiques inconnues de cette galaxie: les détails de sa structure, son contenu, son mouvement, et quelques autres propriétés physiques.

ALMA fonctionne à la manière d'un interféromètre. En quelques mots, les nombreuses antennes qui composent le réseau travaillent de concert afin de collecter la lumière, comme le ferait un télescope virtuel de vastes dimensions [4]. En conséquence, les nouvelles images de SDP.81 obtenues par ALMA sont dotées d'une résolution quelque six fois supérieure [5] à celles acquises dans l'infrarouge par le Télescope Spatial Hubble du consortium NASA/ESA.

Les modèles complexes des astronomes révèlent l'existence d'une structure fine, jamais observée auparavant, au sein de SDP.81. Cette dernière arbore la forme de nuages poussiéreux, probablement de vastes réservoirs de gaz moléculaire froid – ou lieux de naissance des étoiles et de leurs cortèges de planètes. Ces modèles ont été en mesure de corriger la distorsion géométrique générée par l'effet de lentille gravitationnelle.

Les observations d'ALMA présentent un tel degré de résolution que les chercheurs peuvent détecter,  au sein de cette lointaine galaxie, des régions de formation stellaire dont les dimensions n'excèdent pas les 100 années-lumière – soit l'équivalent de gigantesques nébuleuses d'Orion produisant, à l'autre extrémité de l'Univers, de nouvelles étoiles à un rythme mille fois supérieur. C'est la toute première fois que ce phénomène peut être observé à une distance aussi élevée.

“L'image de la galaxie recomposée par ALMA est spectaculaire”, s'enthousiasme Rob Ivison, co-auteur de deux des publications scientifiques et Directeur de la Science à l'ESO. “La vaste surface collectrice d'ALMA, la grande distance qui sépare ses antennes, et la stabilité de l'atmosphère qui surplombe le désert de l'Atacama, contribuent chacune à l'obtention d'images et de spectres extrêmement résolus. En d'autres termes, les observations obtenues sont très détaillées, ainsi que les informations concernant les mouvements qui animent les différentes régions de la galaxie. Nous pouvons désormais étudier des galaxies situées à l'autre extrémité de l'Univers, au moment où elles fusionnent et donnent naissance à un grand nombre d'étoiles. C'est le genre de truc qui m'incite à me lever le matin !”

L'information spectrale recueillie par ALMA a par ailleurs permis aux astronomes de mesurer la vitesse de rotation de la galaxie et d'estimer sa masse. Les données indiquent que le gaz de cette galaxie est instable : certains amas de gaz sont en cours d'effondrement en effet, et probablement sur le point de se changer en vastes régions de formation stellaire.

En outre, la modélisation de l'effet de lentille gravitationnelle révèle l'existence d'un trou noir supermassif au cœur de la galaxie lentille d'avant-plan [6]. Les régions centrales de SDP.81 sont trop peu lumineuses pour être détectées, ce qui laisse à penser que la galaxie d'avant-plan abrite un trou noir supermassif doté d'une masse supérieure à 200 ou 300 millions de masses solaires.

Le nombre d'articles publiés à partir de ce simple ensemble de données collectées par ALMA montre l'enthousiasme suscité par le haut pouvoir de résolution et la formidable puissance collectrice du réseau. Il témoigne également du rôle majeur d'ALMA dans les découvertes astronomiques à venir et la formulation de nouvelles questions concernant la nature des galaxies lointaines.

Notes

[1] La galaxie amplifiée est observée à une époque à laquelle l'Univers n'était âgé que de 2,4 milliards d'années – ce qui représente 15% de son âge actuel. Sa lumière a donc mis 11,4 milliards d'années pour nous parvenir, ce qui représente plus de deux fois l'âge de la Terre. Pour ce faire, elle a emprunté un chemin détourné, contournant une galaxie massive d'avant-plan relativement proche en comparaison puisque située à 4 milliards d'années de la Terre.

[2] L'existence des lentilles gravitationnelles est prévue par la théorie de la relativité générale d'Einstein.Selon cette théorie, les objets ont pour effet de courber l'espace et le temps. Toute lumière s'approchant de cet espace-temps courbe suit la courbure générée par l'objet en question. Ainsi donc, les objets particulièrement massifs que sont les galaxies géantes et les amas de galaxies agissent telles des loupes cosmiques. Un anneau d'Einstein est une lentille gravitationnelle particulière, qui se produit lorsque la Terre, la galaxie lentille d'avant-plan et la galaxie amplifiée d'arrière-plan sont parfaitement alignées. S'ensuit une distorsion harmonieuse, sous l'aspect d'un anneau de lumière. Ce phénomène est illustré au sein de la Vidéo A.

[3] Les équipes scientifiques sont listées ci-après.

[4] La capacité d'ALMA à observer les plus infimes détails dépend de la distance entre les antennes. Dans le cas présent, la séparation maximale, soit 15 kilomètres, a été nécessaire. A titre de comparaison, des observations antérieures de lentilles gravitationnelles effectuées par ALMA alors que le réseau se trouvait dans une configuration plus compacte – la séparation n'était alors que de 500 mètres – est disponible ici.

[5] Ces données permettent de discerner des détails de 0,023 secondes d'arc ou 23 millisecondes d'arc. La résolution atteinte par Hubble dans le proche infrarouge est voisine de 0,16 secondes d'arc. A de plus courtes longueurs d'onde toutefois, Hubble peut atteindre des résolutions supérieures – 0,022 secondes d'arc dans le proche ultraviolet par exemple. La résolution d'ALMA peut quant à elle être ajustée au type d'observations effectuées. Pour ce faire, il suffit de déplacer les antennes du réseau. Pour les besoins de cette étude, la séparation la plus grande fut utilisée, ce qui a permis d'obtenir la résolution la plus élevée possible.

[6] La résolution élevée de l'image d'ALMA permet aux chercheurs de scruter le cœur de la galaxie d'arrière-plan, censé apparaître au centre de l'anneau d'Einstein. Toutefois, si la galaxie d'avant-plan abrite un trou noir supermassif en son centre, l'image centrale paraît peu lumineuse. Ainsi donc, la faible luminosité de l'image centrale renseigne sur la masse du trou noir de la galaxie d'avant-plan.

Plus d'informations

Ce travail de recherche a fait l'objet de huit articles à paraître prochainement. Ci-après figure la liste des équipes impliquées :

http://arxiv.org/abs/1503.07605
Yoichi Tamura (Université de Tokyo), Masamune Oguri (Université de Tokyo), Daisuke Iono (Observatoire Astronomique National du Japon/SOKENDAI), Bunyo Hatsukade (Observatoire Astronomique National du Japon), Yuichi Matsuda (Observatoire Astronomique National du Japon/SOKENDAI), et Masao Hayashi (Observatoire Astronomique National du Japon).

http://arxiv.org/abs/1503.08720
Simon Dye (Université de Nottingham), Christina Furlanetto (Université de Nottingham; Fondation CAPES, Ministère de l'Enseignement du Brésil, Brésil), Mark Swinbank (Université de Durham), Catherine Vlahakis (Observatoire Unifié ALMA, Chili; ESO, Chili), James Nightingale (Université de Nottingham), Loretta Dunne (Université de Canterbury, Nouvelle Zélande; Institut d'Astronomie [IfA], Observatoire Royal d'Edinbourg), Steve Eales (Université de Cardiff), Ian Smail (Durham), Ivan Oteo-Gomez (IfA, Edinbourg; ESO, Allemagne), Todd Hunter (Observatoire National de Radioastronomie, Charlottesville, Virginie, Etats-Unis), Mattia Negrello (INAF, Observatoire Astronomique de Padoue, Observatoire Vicolo, Padoue, Italie), Helmut Dannerbauer (Université de Vienne, Vienne, Autriche), Rob Ivison (IfA, Edinbourg; ESO, Allemagne), Raphael Gavazzi (Université Pierre et Marie Curie, Paris), Asantha Cooray (Institut de Technologie de Californie, Etats-Unis) et Paul van der Werf (Université de Leiden, Pays-Bas).

http://arxiv.org/abs/1505.05148
Mark Swinbank (Université de Durham), Simon Dye (Université de Nottingham), James Nightingale (Université de Nottingham), Christina Furlanetto (Université de Nottingham; Fondation CAPES, Ministère de l'Enseignement du Brésil, Brésil), Ian Smail (Durham), Asantha Cooray (Institut de Technologie de Californie, Etats-Unis), Helmut Dannerbauer (Université de Vienne, Vienne, Autriche), Loretta Dunne (Université de Canterbury, Nouvelle Zélande; Institut d'Astronomie [IfA], Observatoire Royal d'Edinbourg), Steve Eales (Université de Cardiff), Raphael Gavazzi (Université Pierre et Marie Curie, Paris), Todd Hunter (Observatoire National de Radioastronomie, Charlottesville, Virginie, Etats-Unis), Rob Ivison (IfA, Edinbourg; ESO, Allemagne), Mattia Negrello (INAF, Observatoire Astronomique de Padoue, Observatoire Vicolo, Padoue, Italie), Ivan Oteo-Gomez (IfA, Edinbourg; ESO, Allemagne), Renske Smit (Durham), Paul van der Werf (Université de Leiden, Pays-Bas), et Catherine Vlahakis (Observatoire Unifié ALMA, Chili; ESO, Chili).

http://arxiv.org/abs/1503.05558
Kenneth C. Wong (Institut d'Astronomie et d'Astrophysique, Academia Sinica (ASIAA), Taipei, Taiwan), Sherry H. Suyu (ASIAA, Taiwan), et Satoki Matsushita (ASIAA, Taiwan)

http://arxiv.org/abs/1503.07997
Bunyo Hatsukade (Observatoire Astronomique National du Japon, Tokyo, Japon) Yoichi Tamura (Institut d'Astronomie, Université de Tokyo, Tokyo, Japon), Daisuke Iono (Observatoire Astronomique National du Japon; Université Supérieure des Etudes Avacées [SOKENDAI], Tokyo, Japon), Yuichi Matsuda (Observatoire Astronomique National du Japon), Masao Hayashi (Observatoire Astronomique National du Japon), Masamune Oguri (Centre de Recherche sur l'Univers Jeune, Université de Tokyo, Tokyo, Japon; Département de Physique, Université de Tokyo, Tokyo, Japon; Institut Kavli de Physique et de Mathématiques de l'Univers [Kavli IPMU, WPI], Université de Tokyo, Chiba, Japon)

http://arxiv.org/abs/1503.02652
Le Partenariat ALMA, C. Vlahakis (Observatoire Unifié ALMA [JAO]; ESO) , T. R. Hunter (Observatoire de Radioastronomie National [NRAO]), J. A. Hodge (NRAO) , L. M. Pérez (NRAO) , P. Andreani (ESO), C. L. Brogan (NRAO), P. Cox (JAO, ESO), S. Martin (Institut de Radioastronomie Millimétrique [IRAM]) , M. Zwaan (ESO) , S. Matsushita (Institut d'Astronomie et d'Astrophysique, Taiwan) , W. R. F. Dent (JAO, ESO), C. M. V. Impellizzeri (JAO, NRAO), E. B. Fomalont (JAO, NRAO), Y. Asaki (Observatoire Astronomique National du Japon; Institut des Sciences Spatiales et Aéronautiques (ISAS), Agence d'Exploration Aérospatiale du Japon [JAXA]) , D. Barkats (JAO, ESO), R. E. Hills (Groupe d'Astrophysique, Laboratoire Cavendish), A. Hirota (JAO; Observatoire Astronomique National du Japon), R. Kneissl (JAO, ESO), E. Liuzzo (INAF, Institut de Radioastronomie), R. Lucas (Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble), N. Marcelino (INAF), K. Nakanishi (JAO, Observatoire Astronomique National du Japon), N. Phillips (JAO, ESO), A. M. S. Richards (Université de Manchester), I. Toledo (JAO), R. Aladro (ESO), D. Broguiere (IRAM), J. R. Cortes (JAO, NRAO), P. C. Cortes (JAO, NRAO), D. Espada (ESO, Observatoire Astronomique National du Japon), F. Galarza (JAO), D. Garcia-Appadoo (JAO, ESO), L. Guzman-Ramirez (ESO), A. S. Hales (JAO, NRAO), E. M. Humphreys (ESO), T. Jung (Institut d'Astronomie et de Sciences Spatiales de Corée), S. Kameno (JAO, Observatoire Astronomique National du Japon), R. A. Laing (ESO), S. Leon (JAO,ESO), G. Marconi (JAO, ESO), A. Mignano (INAF), B. Nikolic (Groupe d'Astrophysique, Laboratoire Cavendish), L. A. Nyman (JAO, ESO), M. Radiszcz (JAO), A. Remijan (JAO, NRAO), J. A. Rodón (ESO), T. Sawada (JAO, Observatoire Astronomique National du Japon), S. Takahashi (JAO, Observatoire Astronomique National du Japon), R. P. J. Tilanus (Université de Leiden), B. Vila Vilaro (JAO, ESO), L. C. Watson (ESO), T. Wiklind (JAO, ESO), Y. Ao (Observatoire Astronomique National du Japon) , J. Di Francesco (Conseil National Herzberg de la Recherche en Astronomie & Astrophysique), B. Hatsukade (Observatoire Astronomique National du Japon), E. Hatziminaoglou (ESO), J. Mangum (NRAO), Y. Matsuda (Observatoire Astronomique National du Japon), E. Van Kampen (ESO), A. Wootten (NRAO), I. De Gregorio-Monsalvo (JAO, ESO), G. Dumas (IRAM), H. Francke (JAO), J. Gallardo (JAO), J. Garcia (JAO), S. Gonzalez (JAO), T. Hill (ESO), D. Iono (Observatoire Astronomique National du Japon), T. Kaminski (ESO), A. Karim (Institut Argelander d'Astronomie), M. Krips (IRAM), Y. Kurono (JAO, Observatoire Astronomique National du Japon) , C. Lonsdale (NRAO), C. Lopez (JAO), F. Morales (JAO), K. Plarre (JAO), L. Videla (JAO), E. Villard (JAO, ESO), J. E. Hibbard (NRAO), K. Tatematsu (Observatoire Astronomique National du Japon).

http://arxiv.org/abs/1503.02025
M. Rybak (Institut d'Astrophysique Max Planck), J. P. McKean (Institut de Radioastronomie Néérlandais; Université de Groningen) S. Vegetti (Institut d'Astrophysique Max Planck), P. Andreani (ESO) et S. D. M. White (Institut d'Astrophysique Max Planck)

http://arxiv.org/abs/1506.01425
M. Rybak (Institut d'Astrophysique Max Planck), S. Vegetti (Institut d'Astrophysique Max Planck), J. P. McKean (Institut de Radioastronomie Néérlandais; Université de Groningen), P. Andreani (ESO) et S. D. M. White (Institut d'Astrophysique Max Planck)

Le Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l'Atacama (ALMA), une installation astronomique internationale, est le fruit d'un partenariat entre l'ESO, la U.S. National Science Foundation (NSF) et le National Institutes of Natural Sciences (NINS) du Japon en coopération avec le Chili. ALMA est financé par l'Observatoire Européen Austral (ESO) pour le compte de ces Etats membres, la NSF en coopération avec le National Research Council du Canada (NRC), le National Science Council of Tawain (NSC) et le NINS en coopération avec l’Academia Sinica (AS) in Taiwan et le Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

La construction et la gestion d'ALMA sont supervisées par l'ESO pour le compte de ses Etats membres, par le National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dirigé par Associated Universities, Inc (AUI) en Amérique du Nord, et par le National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) pour l'Asie de l'Est. L’Observatoire commun ALMA (JAO pour Joint ALMA Observatory) apporte un leadership et un management unifiés pour la construction, la mise en service et l’exploitation d’ALMA.

L'ESO est la première organisation intergouvernementale pour l'astronomie en Europe et l'observatoire astronomique le plus productif au monde. L'ESO est soutenu par 15 pays : l'Allemagne, l'Autriche, la Belgique, le Brésil, le Danemark, l'Espagne, la Finlande, la France, l'Italie, les Pays-Bas, le Portugal, la République Tchèque, le Royaume-Uni, la Suède et la Suisse. L'ESO conduit d'ambitieux programmes pour la conception, la construction et la gestion de puissants équipements pour l'astronomie au sol qui permettent aux astronomes de faire d'importantes découvertes scientifiques. L'ESO joue également un rôle de leader dans la promotion et l'organisation de la coopération dans le domaine de la recherche en astronomie. L'ESO gère trois sites d'observation uniques, de classe internationale, au Chili : La Silla, Paranal et Chajnantor. À Paranal, l'ESO exploite le VLT « Very Large Telescope », l'observatoire astronomique observant dans le visible le plus avancé au monde et deux télescopes dédiés aux grands sondages. VISTA fonctionne dans l'infrarouge. C'est le plus grand télescope pour les grands sondages. Et, le VLT Survey Telescope (VST) est le plus grand télescope conçu exclusivement pour sonder le ciel dans la lumière visible. L'ESO est le partenaire européen d'ALMA, un télescope astronomique révolutionnaire. ALMA est le plus grand projet astronomique en cours de réalisation. L'ESO est actuellement en train de programmer la réalisation d'un télescope européen géant (E-ELT pour European Extremely Large Telescope) de la classe des 39 mètres qui observera dans le visible et le proche infrarouge. L'E-ELT sera « l'œil le plus grand au monde tourné vers le ciel ».

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  • http://arxiv.org/abs/1503.07605
  • http://arxiv.org/abs/1503.08720
  • http://arxiv.org/abs/1505.05148
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